JP4224466B2 - 半導体センサ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体センサ及びその製造方法に関するものであり、特に、外部から加えられた力による所定方向の加速度や、傾斜させることにより静止状態で加わる所定方向の重力加速度を測定できる半導体センサ、またはジャイロとして用いる半導体センサ及びその製造方法に関するものである。

特開２００４−１２５７０４号公報（特許文献１）等には、センサ本体と重錘と台座とを備えた半導体センサの一例が示されている。センサ本体は、中心部に重錘固定部、外周部に筒状の支持部、そして重錘固定部と支持部との間にダイアフラム部を有している。そして、支持部が筒状の台座に支持されている。重錘は重錘固定部の端部に固定されて、台座と支持部とダイアフラム部とに囲まれた空間内に配置されている。この種の半導体加速度センサでは、外部から加えられた力による加速度またはセンサを傾斜させている状態で加わる重力加速度に基づいて、重錘が動いてダイヤフラム部が歪むことにより、ダイヤフラム部に形成されたセンサ素子が歪み量に応じた加速度の検出信号を出力する。この半導体加速度センサでは、そして、重錘に凹部を形成し、その凹部内を重錘固定部の端部に固定して、半導体センサの厚み寸法を小さくしている。
特開２００４−１２５７０４号公報

しかしながら、重錘に形成した凹部内を重錘固定部に固定しても、半導体センサの厚み寸法を小さくするには、限界があった。

本発明の目的は、厚み寸法を小さくできる半導体センサ及びその製造方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、支持部を支持する台座を必要としない半導体センサ及びその製造方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、重錘固定部の中心線に重錘の重心を容易に合わせることができ、重錘とセンサ本体のダイアフラム部との間に適正な間隙を容易に形成できる半導体センサ及びその製造方法を提供することにある。

本発明の半導体センサは、センサ本体と重錘とを備えている。センサ本体は、中心部に重錘固定部、外周部に筒状の支持部、そして重錘固定部と支持部との間にダイアフラム部を有し且つダイアフラム部にセンサ素子が形成されている。重錘は、重錘固定部の中心を通りダイアフラム部が延びる方向と直交する方向に延びる中心線が重心を通るように重錘固定部に固定されている。本発明では、重錘は中央に貫通孔を備えた環状の形状を有しており、貫通孔に重錘固定部が嵌合されている。そして、中心線を中心とする重錘固定部の外周面と重錘の貫通孔を囲む内周面とが接合されて、重錘が重錘固定部に固定されている。本発明のように、環状の重錘の貫通孔に重錘固定部を嵌合して固定すれば、重錘の全体または大部分を支持部とダイアフラム部とに囲まれた空間内に配置することができる。そのため、半導体センサの中心線方向の寸法（半導体センサの厚み寸法）を小さくできる。

また、重錘が支持部とダイアフラム部とにより囲まれた空間内において動き得る寸法及び形状を有していれば、従来のように支持部を支持する台座を設ける必要がなく、半導体センサの部品点数を少なくして厚み寸法を更に小さくできる。

センサ本体及び重錘は、種々の形状に形成することができる。例えば、重錘固定部の外周面が中心線と平行に延びる形状を有しており、重錘の内周面が重錘固定部の外周面と実質的に平行に延びる形状を有するように構成することができる。この場合、重錘固定部の外周面と重錘の内周面との間に間隙内に接着剤を充填した状態で両者を接合すればよい。このようにすれば、センサ本体及び重錘を単純な形状に形成することができる。

また、重錘固定部の外周面は、ダイアフラム部から離れるにしたがって、中心線に近づくように傾斜させ、重錘の内周面は円筒面形状を有するように構成することができる。この場合も重錘固定部の外周面と重錘の内周面との間の間隙内に接着剤が充填した状態で両者を接合すればよい。このようにすれば、重錘の貫通孔に重錘固定部を容易に嵌合できる上、重錘固定部に対する重錘の位置合わせを容易に行える。

また、重錘は、ダイアフラム部の裏面と対向する上面と、該上面と中心線が延びる方向で対向する下面と、上面と下面との間に位置して支持部と対向する外周面とを備えるように構成できる。この場合、重錘と対向する支持部の内周面の形状及び重錘の形状は、重錘がダイアフラム部側に所定量変位したときに、重錘の外周面と上面との間に形成される外側角部と支持部の内周面とが当接することにより、重錘のダイアフラム部側に向かう方向の変位量が規制されるように定めるのが好ましい。このようにすれば、半導体センサに加速度が加わった際に、重錘が必要以上に動こうとすると、重錘の外側角部が支持部の内周面と当接して、重錘のダイアフラム部側に向かう方向の変位量が所定の範囲内に規制される。そのため、重錘の動きによりダイアフラム部が破損するのを防ぐことができる。

このような、半導体センサは、次のようにして製造することができる。まず、センサ本体の支持部を固定し、ダイアフラム部を重錘固定部が位置する側とは反対側に凸となるように撓ませて撓み状態を作る。次に、撓み状態を保持した状態で、重錘固定部を重錘の貫通孔に嵌合させて、重錘の内周面と上面との間に形成される内側角部と、重錘固定部の外周面とを当接させ、重錘の外周面と上面との間に形成される外側角部と、支持部の内周面とを当接させることにより、重錘固定部の中心線に重錘の重心を通し、重錘とセンサ本体のダイアフラム部との間に適正な間隙を形成する。そして、このように重錘と支持部との当接状態を保持した状態で、重錘固定部の外周面と重錘の内周面とを接着剤で接合した後、撓み状態を解除する。このように製造すれば、センサ本体及び重錘の寸法及び形状を適宜に設定することにより、重錘固定部を重錘の貫通孔に嵌合させるという単純な作業により、重錘固定部の中心線に重錘の重心を容易に合わせることができ、重錘とセンサ本体のダイアフラム部との間に適正な間隙を容易に形成することができる。

撓み状態は、ダイアフラム部を重錘固定部が位置する側とは反対側から吸引することにより形成することができる。このようにすれば、重錘固定部を重錘の貫通孔に嵌合させる作業を妨げることなく、ダイアフラム部の撓み状態を作ることができる。

当接状態を保持した状態で、重錘固定部の外周面と重錘の内周面との間の間隙内に充填する接着剤としては、硬化するまでは間隙内から実質的に流れ出ることがなく、しかも所定の温度の熱で硬化する熱硬化性接着剤を用いるのが好ましい。このようにすれば、所定の温度の熱を加えることで、接着剤が重錘固定部の外周面と重錘の内周面との間の隙間からダイアフラム部側に流れ出るのを防ぐことができる。

また、半導体センサは、次のようにして製造することもできる。まず、センサ本体の支持部を第１の治具で保持し、重錘を第２の治具で保持する。そして、第１の治具及び第２の治具の少なくとも一方を前進させて両者を相対的に近付ける作業をする際に、重錘の貫通孔に重錘固定部を嵌合させながら重錘とセンサ本体のダイアフラム部との間に適正な間隙を形成する。次に、重錘固定部の外周面と重錘の内周面との間の間隙内に充填した接着剤により重錘固定部の外周面と重錘の内周面とを接合する。その後、第２の治具だけが第１の治具から離れるように、第１及び第２の治具の少なくとも一方を後退させる。このように製造すれば、重錘固定部に重錘を容易に固定することができる。

第２の治具は重錘の前記貫通孔の一端を塞ぐ閉塞面を有し、閉塞面は硬化した接着剤が容易に剥離する剥離性を備えていることができる。この場合、重錘の貫通孔の内周面に接着剤を予め塗布しておくことができる。このようにすれば、第２の治具に接着剤が付着するのを防止した上で、重錘固定部の外周面と重錘の内周面との間の間隙内に接着剤を容易に充填できる。

接着剤としては、所定の温度の熱で硬化する熱硬化性接着剤を用いるのが好ましい。このようにすれば、所定の温度の熱を加えることで、接着剤が重錘固定部の外周面と重錘の内周面との間の隙間からダイアフラム部側に流れ出るのを防ぐことができる。

第１の治具及び第２の治具は、第２の治具が第１の治具またはセンサ本体の支持部と当接したときに、重錘とセンサ本体のダイアフラム部との間に適正な間隙が形成されるように構成するのが好ましい。このようにすれば、第２の治具が第１の治具またはセンサ本体の支持部と当接するまで重錘固定部を重錘の貫通孔に嵌合させるという単純な作業により、重錘固定部の中心線に重錘の重心を容易に合わせることができ、重錘とセンサ本体のダイアフラム部との間に適正な間隙を容易に形成できる。

本発明によれば、環状の重錘の貫通孔に重錘固定部を嵌合して固定するので、重錘の全体または大部分を支持部とダイアフラム部とに囲まれた空間内に配置することができる。そのため、半導体センサの厚み寸法を小さくできる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、加速度センサに適用した本発明の第１の実施の形態の半導体センサの平面図であり、図２は、図１のII−II線断面図である。両図に示すように、本例の半導体センサは、センサ本体１と、センサ本体１に固定された重錘３とを有している。

センサ本体１は、中心部に重錘固定部５が位置し、外周部に筒状の支持部７が位置し、重錘固定部５と支持部７との間に可撓性を有するダイアフラム部９を有するように単結晶シリコンからなる半導体結晶基板に異方性エッチングが施されて形成されている。センサ本体１の表面のダイアフラム部９上には、加速度検出用拡散抵抗からなる複数のセンサ素子が形成されており、支持部７上には複数の電極１１が形成されている。本例の半導体センサでは、外部から加えられた力による加速度、または傾斜させた静止状態で加わる重力加速度に基づく力により重錘３が動いてダイアフラム部９が撓むことにより、センサ素子を構成する各拡散抵抗の抵抗値が変化して歪み量に応じた３軸方向の加速度を検出する。

重錘固定部５は、ダイアフラム部９より突出した形状を有している。この重錘固定部５は、多角形の横断面を有しており、重錘固定部５の中心を通りダイアフラム部９が延びる方向と直交する方向に延びる仮想の中心線Ｃを有している。中心線Ｃを中心とする重錘固定部５の外周面５ａはダイアフラム部９から離れるに従って中心線Ｃに近づくように傾斜している。

支持部７は、矩形の環状を有しており、支持部７の重錘３と対向する内周面１３は、切頭角錐形の空間の外周面に倣うように、実質的に同形状の４つの台形状の傾斜面が環状に組み合わされて構成されている。内周面１３は、ダイアフラム部９から離れるにしたがって中心線Ｃから離れるように傾斜している。本例では、内周面１３の中心線Ｃに対する傾斜角度θ１は、３６°以下である。このような支持部７の内周面１３の構造により、重錘固定部５を含み支持部７とダイアフラム部９により囲まれた空間１５は、ダイアフラム部９に向かって横断面面積が小さくなる切頭角錐形状を有することになる。

重錘３は、中央に貫通孔３ａを備えた円環状を有しており、タングクテンにより形成されている。貫通孔３ａは、中心線Ｃと直交する方向の断面が円形を有している。言い換えるならば、重錘３の貫通孔３ａを囲む内周面３ｂは円筒面形状を有している。この重錘３は、ダイアフラム部９に沿って延びてダイアフラム部９の裏面と対向する円環状の上面３ｃと、該上面３ｃと中心線Ｃが延びる方向で対向する下面３ｄと、上面３ｃと下面３ｄとの間に位置して支持部７と対向する外周面３ｅとを有している。そのため、外周面３ｅと上面３ｃとの間に交差角度が直角の外側角部３ｆが形成され、上面３ｃと内周面３ｂとの間に内側角部３ｇが形成されることになる。重錘３の貫通孔３ａには、重錘固定部５が嵌合されている。そして、重錘固定部５の外周面５ａと重錘３の内周面３ｂとの間に接着剤１７が充填されて、重錘３は、重錘固定部５に固定されている。この重錘３は、重錘固定部５の中心線Ｃが重錘３の重心を通るように重錘固定部５に固定されている。また、重錘３は、支持部７とダイアフラム部９とにより囲まれた空間１５内において動き得る寸法及び形状を有している。また、センサ本体１及び重錘３の寸法及び形状は、重錘３が重錘固定部５に固定されていないと仮定した場合に、重錘３の貫通孔３ａ内に重錘固定部５を挿入して、重錘３の外側角部３ｆを支持部７の内周面１３に当接させ、重錘３の内側角部３ｇを重錘固定部５の外周面５ａに当接させたときに、重錘固定部５の中心線Ｃが重錘３の重心を通り、重錘３とセンサ本体１のダイアフラム部９との間に適正な間隙が形成されるように設定されている。さらに、本例では、重錘３が必要以上に動こうとすると、重錘３の外側角部３ｆが支持部７の内周面１３とが当接して、重錘３の変位量が所定の範囲内に規制される。

本例の半導体センサによれば、環状の重錘３の貫通孔３ａに重錘固定部５を嵌合して固定するので、重錘３の全体を支持部７とダイアフラム部９とに囲まれた空間１５内に配置することができる。そのため、半導体センサの厚み寸法を小さくできる。また、重錘３は、支持部７及びダイアフラム部９により囲まれた空間１５内において動き得る寸法及び形状を有しているので、従来のように支持部を支持する台座を設ける必要がない。

次に重錘３をセンサ本体１に固定して本例の半導体センサを製造する第１の方法を説明する。まず、図３に示すように、重錘固定部５及び支持部７のダイアフラム部９が位置する側の反対側の端部が上方に位置し、ダイアフラム部９が下方に位置するように治具Ｄ１上にセンサ本体１の支持部７を固定する。治具Ｄ１は、ダイアフラム部９及び重錘固定部５とは接触せず、支持部７を載置できる形状を有している。次に重錘固定部５の下方に配置した真空吸引機Ｖを用いて、ダイアフラム部９を重錘固定部５が位置する側とは反対側から吸引する。これにより、ダイアフラム部９を重錘固定部５が位置する側とは反対側に凸となるように撓ませて撓み状態を作る。次に、この撓み状態を保持した状態で、重錘固定部５を重錘３の貫通孔３ａに嵌合させて、重錘３の外側角部３ｆと支持部７の内周面１３とが当接し、重錘３の内側角部３ｇと重錘固定部５の外周面５ａとが当接するまで重錘３をダイアフラム部９側に近付ける。そして、重錘３と支持部７との当接状態を保持した状態で、重錘固定部５の外周面５ａと重錘３の内周面３ｂとの間の間隙に接着剤を充填し、該接着剤を乾燥して両者を接合する。その後、撓み状態を解除して重錘３を重錘固定部５に固定する。本例では、硬化するまでは接着剤を充填した間隙内から実質的に流れ出ることがなく、しかも所定の温度の熱で硬化する熱硬化性接着剤を用い、重錘３の内側角部３ｇと重錘固定部５の外周面５ａとの間が該所定の温度になるようにダイアフラム部９の下方を加熱した状態で接着剤１７を充填した。このようにして接着剤１７を充填すると、接着剤１７のダイアフラム部９側の部分が硬化する。そのため、接着剤１７が重錘固定部５の外周面５ａと重錘３の内周面３ｂとの間の隙間からダイアフラム部９側に流れ出るのを防ぐことができる。また、本例のように製造すれば、重錘３の貫通孔３ａ内に重錘固定部５を挿入するという単純な作業により、重錘固定部５の中心線Ｃに重錘３の重心を容易に合わせることができ、重錘５とセンサ本体１のダイアフラム部９との間に適正な間隙を容易に形成することができる。

次に重錘３をセンサ本体１に固定して本例の半導体センサを製造する第２の方法を説明する。まず、図４に示すように、重錘固定部５及び支持部７のダイアフラム部９が位置する側の反対側の端部が下方に位置し、ダイアフラム部９が上方に位置するようにセンサ本体１の支持部７を第１の治具Ｄ２で保持する。また、重錘３を第２の治具Ｄ３上の中央に固定して保持する。次に、重錘３の内周面３ｂに接着剤１７を塗布する。そして、第２の治具Ｄ３を前進させて第１の治具Ｄ２及び第２の治具Ｄ３を相対的に近付け、第２の治具Ｄ３の周縁部ｄ１が支持部７の内周面１３に当接するまで、重錘３の貫通孔３ａに重錘固定部５を嵌合させる。本例では、第２の治具Ｄ３は重錘３の貫通孔３ａの一端を塞ぐ閉塞面ｄ２を有しており、この閉塞面ｄ２は硬化した接着剤が容易に剥離する剥離性を備えている。例えば、第２の治具Ｄ３としてテフロン（登録商標）等の材質を用いることができる。また、第２の治具Ｄ３の寸法及び形状は、重錘３の貫通孔３ａに重錘固定部５を嵌合させ、第２の治具Ｄ３の周縁部ｄ１が支持部７の内周面１３に当接した際に重錘固定部５の中心線Ｃが重錘３の重心を通り、重錘３とセンサ本体１のダイアフラム部９との間に適正な間隙が形成されるように設定されている。そして、接着剤１７により重錘固定部５の外周面５ａと重錘３の内周面３ｂとを接合し、その後第２の治具Ｄ３だけが第１の治具Ｄ２から離れるように、第２の治具Ｄ３を後退させて重錘３を重錘固定部５に固定する。本例のように製造すれば、重錘固定部５を重錘３の貫通孔３ａに嵌合させるという単純な作業により、重錘固定部５の中心線Ｃに重錘３の重心を容易に合わせることができ、重錘３とセンサ本体１のダイアフラム部９との間に適正な間隙を容易に形成できる。

上記例に示した半導体センサでは、重錘固定部５の外周面５ａと支持部７の内周面１３は、中心線Ｃに対して傾斜しているが、重錘固定部及び支持部は、種々の形状のものを採用することができる。例えば、図５に示す本発明の第２の実施の形態の半導体センサのように、重錘固定部１０５の外周面１０５ａを中心線Ｃと平行に延ばし、重錘１０３の内周面１０３ａを重錘固定部１０５の外周面１０５ａと実質的に平行に延ばすこともできる。

本発明の第１の実施の形態の半導体センサの平面図である。 図１のII−II線断面図である。 図１に示す半導体センサを製造する第１の方法を説明するために用いた図である。 図１に示す半導体センサを製造する第２の方法を説明するために用いた図である。 本発明の第２の実施の形態の半導体センサの断面図である。

符号の説明

１ センサ本体
３ 重錘
３ａ 貫通孔
３ｂ 内周面
３ｆ 外側角部
３ｇ 内側角部
５ 重錘固定部
５ａ 外周面
７ 支持部
９ ダイアフラム部
１３ 内周面
１５ 支持部とダイアフラム部に囲まれた空間
１７ 接着剤

Claims (8)

1. 中心部に重錘固定部、外周部に筒状の支持部、そして前記重錘固定部と前記支持部との間にダイアフラム部を有し、単結晶シリコンからなる半導体結晶基板に異方性エッチングが施されて形成されたセンサ本体と、
   前記重錘固定部の中心を通り前記ダイアフラム部が延びる方向と直交する方向に延びる中心線が重心を通るように重錘固定部に固定された重錘とを備え、
   前記支持部の内周面は、ダイアフラム部から離れるにしたがって前記中心線から離れるように傾斜しており、
   前記重錘は中央に貫通孔を備えた環状の形状を有し、
   前記貫通孔に前記重錘固定部が嵌合されており、
   前記中心線を中心とする前記重錘固定部の外周面と前記重錘の前記貫通孔を囲む内周面とが接合されて、前記重錘が前記重錘固定部に固定されており、
   前記重錘は、前記支持部と前記ダイアフラム部とにより囲まれた空間内において動き得る寸法及び形状を有しており、
   前記重錘は、前記ダイアフラム部の裏面と対向する上面と、前記上面と前記中心線が延びる方向で対向する下面と、前記上面と前記下面との間に位置して前記支持部と対向する外周面とを備えており、
   前記重錘と対向する前記支持部の内周面の形状及び前記重錘の形状は、前記重錘が前記ダイアフラム部側に所定量変位したときに、前記重錘の前記外周面と前記上面との間に形成される外側角部と前記支持部の前記内周面とが当接することにより、前記重錘の前記ダイアフラム部側に向かう方向の変位量が規制されるように定められていることを特徴とする半導体センサ。
2. 前記重錘固定部の前記外周面は、前記中心線と平行に延びる形状を有しており、
   前記重錘の前記内周面は、前記外周面と実質的に平行に延びる形状を有しており、
   前記外周面と前記内周面との間の間隙内に接着剤が充填された状態で両者が接合されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体センサ。
3. 前記重錘固定部の前記外周面は、前記ダイアフラム部から離れるにしたがって、前記中心線に近づくように傾斜しており、
   前記重錘の前記内周面は円筒面形状を有しており、前記重錘固定部の前記外周面と前記重錘の前記内周面との間の間隙内に接着剤が充填された状態で両者が接合されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体センサ。
4. 請求項１に記載の半導体センサの製造方法において、
   前記センサ本体の前記支持部を固定し、
   前記ダイアフラム部を前記重錘固定部が位置する側とは反対側に凸となるように撓ませて撓み状態を作り、
   前記撓み状態を保持した状態で、前記重錘固定部を前記重錘の貫通孔に嵌合させて、前記重錘の前記内周面と前記上面との間に形成される内側角部と、前記重錘固定部の前記外周面とを当接させ、前記重錘の前記外周面と前記上面との間に形成される外側角部と、前記支持部の前記内周面とを当接させることにより、前記重錘固定部の前記中心線に前記重錘の重心を通し、前記重錘と前記センサ本体の前記ダイアフラム部との間に適正な間隙を形成し、
   前記重錘と前記支持部との当接状態を保持した状態で、前記重錘固定部の前記外周面と前記重錘の前記内周面とを接着剤で接合した後、前記撓み状態を解除し、
   前記撓み状態は、前記ダイアフラム部を前記重錘固定部が位置する側とは反対側から吸引することにより形成することを特徴とする半導体センサの製造方法。
5. 前記当接状態を保持した状態で、前記重錘固定部の前記外周面と前記重錘の前記内周面との間の間隙内に充填する前記接着剤として、硬化するまでは前記間隙内から実質的に流れ出ることがなく、しかも所定の温度の熱で硬化する熱硬化性接着剤を用いることを特徴とする請求項４に記載の半導体センサの製造方法。
6. 請求項２または３に記載の半導体センサの製造方法において、
   前記センサ本体の前記支持部を第１の治具で保持し、
   前記重錘を第２の治具上に載置した状態で保持し、
   前記第１の治具及び前記第２の治具の少なくとも一方を前進させて両者を相対的に近付ける作業をする際に、前記重錘の前記貫通孔に前記重錘固定部を嵌合させながら前記重錘と前記センサ本体の前記ダイアフラム部との間に適正な間隙を形成し、
   前記重錘固定部の前記外周面と前記重錘の前記内周面との間の間隙内に充填した接着剤により前記重錘固定部の前記外周面と前記重錘の前記内周面とを接合し、
   その後前記第２の治具と前記第１の治具とが離れるように、前記第１及び第２の治具の少なくとも一方を後退させ、
   前記第２の治具は前記重錘の前記貫通孔の一端を塞ぐ閉塞面を有し、
   前記閉塞面は硬化した前記接着剤が容易に剥離する剥離性を備えており、
   前記重錘の前記内周面に前記接着剤を予め塗布しておくことを特徴とする半導体センサの製造方法。
7. 前記接着剤として、所定の温度の熱で硬化する熱硬化性接着剤を用いることを特徴とする請求項６に記載の半導体センサの製造方法。
8. 前記第１の治具及び前記第２の治具は、前記第２の治具が前記第１の治具または前記センサ本体の前記支持部と当接したときに、前記重錘と前記センサ本体の前記ダイアフラム部との間に適正な間隙が形成されるように構成されている請求項６に記載の半導体センサの製造方法。

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